鐵磁管道非接觸式應(yīng)力磁檢測方法及應(yīng)用

?；?孫奇北 廖柯熹 李博陽 趙建華 龐洪晨 孫彩云

（1. 山東省天然氣管道有限責(zé)任公司，山東 濟南 250101；2. 西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500）

0 引言

埋地管道在石油和天然氣的運輸中起著重要的作用。由于地質(zhì)變化，介質(zhì)和土壤腐蝕，機械損傷和其他意外載荷對管道材料的影響，鋼材容易出現(xiàn)諸如腐蝕穿孔和破裂等缺陷。因此，對地下管道的安全測試是管道運行和能源供應(yīng)的重要保證。

弱磁管道非接觸檢測技術(shù)是用于檢測鐵磁材料微觀應(yīng)力集中早期非破測試的有效方法。戴光等對爆破試驗后破裂的管件進行弱磁檢測試驗，準(zhǔn)確地出了缺陷位置，驗證了弱磁檢測方法的有效性[1]。因此，對小口徑管道進行弱磁檢測不僅可以在非開挖狀態(tài)下檢出管道的腐蝕缺陷，還可以對管道失效進行早期診斷和剩余壽命預(yù)測，預(yù)防事故的發(fā)生。

筆者利用高精度磁力計檢測埋地管道，獲得管道軸線上方的地面自漏磁場的三分量磁通密度。通過“信號法向分量改變符號且過零點，而切向分量出現(xiàn)最大值”的原則確定了管道應(yīng)力集中位置[2]?；跍y得的管道自漏磁場大小，參考GB/T 35090-2018《無損檢測-管道弱磁檢測方法》[3]，使用缺陷損傷等級劃分原則，計算應(yīng)力集中點磁異常系數(shù)[4]。在非開挖的情況下得到管道應(yīng)力集中位置，針對不同磁異常系數(shù)的管段采取相應(yīng)措施，為后續(xù)管道本體修復(fù)開挖定點提供技術(shù)支持[5]。

1 非接觸式管道檢測原理

1.1 非接觸檢測設(shè)備

在地磁場中，在內(nèi)部介質(zhì)和外部載荷的作用下，鐵磁性油氣管道的內(nèi)部磁疇將不可逆地重新定向，從而使管道磁化，在管道上方產(chǎn)生漏磁場（SMFL）。當(dāng)管道本體存在一個宏觀缺陷或微觀結(jié)構(gòu)缺陷時，大多管道出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，而應(yīng)力集中將引起局部漏磁場的突變，根據(jù)鐵磁管道自漏磁場來判斷局部應(yīng)力主要集中主要有以下兩種不同的方法，一是可以通過一個磁場法向分量過零點來分析判斷；二是檢測人員利用磁場法向分量的梯度值來判斷，即利用磁場法向分量在應(yīng)力集中處會出現(xiàn)變化很大的梯度值這一特點。圖1表示磁場的法向分量和磁場的法向分量的梯度曲線[6]。

圖1 應(yīng)力集中區(qū)磁場法向分量分布圖和法向分量梯度值分布圖

因此，上述特征可以用來檢測鐵磁性構(gòu)件的應(yīng)力集中區(qū)和變形區(qū)，從而達到鐵磁性構(gòu)件缺陷檢測的目的。

非接觸式管道磁檢測方法是針對具有一定埋深的、受地磁場磁化的鐵磁性管道開展的。管道處于弱地磁環(huán)境中，管道局部應(yīng)力狀態(tài)的變化導(dǎo)致其磁化率的變化，從而導(dǎo)致管道外一定范圍內(nèi)磁場的變化。

非接觸式磁檢測技術(shù)方法所測量的是管道中心正上方設(shè)置一定垂直距離處磁場的水平梯度，也即測點處磁場三分量Bx、By、Bz于在方向的梯度特征分量。在現(xiàn)場測量時，儀器水平放置，儀器的軸向與管道方向垂直，如圖2所示。其中Y軸正向為埋地管道走向，1號探頭、2號探頭的三個不同軸向分布進行彼此之間是相同的，且均符合右手定則。圖3為非接觸式磁異常三維高精度磁應(yīng)力測試系統(tǒng)。

圖2 儀器放置方式示意圖

管道屬于鐵磁材料的金屬構(gòu)件，損傷的主要來源是各種微觀和宏觀的機械應(yīng)力集中，通常管道內(nèi)的壓力不是恒定的，而是隨時間變化的，即管道中的應(yīng)力集中受到一種交變應(yīng)力。當(dāng)材料所承受的交變應(yīng)力遠(yuǎn)小于靜載下的強度極限時，就可能導(dǎo)致發(fā)生一些金屬結(jié)構(gòu)損傷。因此對于鐵磁管道來說，在運行過程中局部組織失穩(wěn)引起的應(yīng)力集中是管道損傷的早期表現(xiàn)。

1.2 非接觸檢測原理

圖3 非接觸式磁異常三維高精度磁應(yīng)力測試系統(tǒng)

應(yīng)力影響磁化率的根本原因是應(yīng)力影響鐵磁性材料內(nèi)部的磁疇結(jié)構(gòu)以及磁疇磁矩的分布。鐵磁材料的磁性能和磁化率，主要由其磁疇結(jié)構(gòu)變化引起的在宏觀上影響鐵磁性材料的磁化率。應(yīng)力通過影響磁疇壁的位移過程和轉(zhuǎn)動過程來影響起始磁化率。應(yīng)力引起的起始磁化率的變化量為：

根據(jù)鐵磁性材料的基本性質(zhì)，起始磁化率變化量Δχ隨φ角以及應(yīng)力σ變化的圖形如圖4所示。

圖4 Δχ隨φ角及應(yīng)力σ變化示意圖

埋地鐵磁管道在受土壤載荷和介質(zhì)內(nèi)壓狀態(tài)下，局部區(qū)域存在應(yīng)力集中。應(yīng)力集中區(qū)發(fā)生磁疇重新分布，形成與應(yīng)力相關(guān)的磁矢量，因此可以將應(yīng)力集中區(qū)域看作一個磁偶極子，如圖5所示。建立鐵磁-空氣間磁偶極子作用模型，計算鐵磁管道進行應(yīng)力集中區(qū)表面的磁場主要分布基本情況。

圖5 應(yīng)力集中區(qū)共面磁偶極子模型

將管道應(yīng)力集中區(qū)當(dāng)作磁偶極子時，產(chǎn)生自漏磁場Br在管道上方坐標(biāo)為（x，z）處產(chǎn)生的法向磁感應(yīng)強度Bn：

管道外場點處磁場的切向分量為：

管道外場點處磁場的法向分量和切向分量的變化曲線，具體如圖6與圖7所示。

圖6 Bn隨θ以及x的變化

圖7 Bx隨θ以及x的變化

應(yīng)力的大小并不會影響應(yīng)力集中區(qū)外磁場曲線的形態(tài)，而主要影響的是應(yīng)力集中區(qū)外磁場峰值的大小。應(yīng)力集中區(qū)磁場法向分量Bn、切向分量Bx隨變量φ、σ、θ以及x變化的函數(shù)為：

對于鐵磁性構(gòu)件，應(yīng)力與磁化率變化量之間的關(guān)系可以表示為：

磁感應(yīng)強度的三個分量沿X方向的變化量△Bx、△By、△Bz，經(jīng)推導(dǎo)得到梯度模量，磁力梯度模量與管道外測點處附加磁場的水平梯度之間的關(guān)系為：

根據(jù)上式可得到應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力變化與測點處磁力梯度模量變化的關(guān)系[7]。

2 管道缺陷等級劃分

利用三維磁場高精度檢測儀，獲得損傷位置的磁信號后，利用公式（9）對損傷部位的損傷程度進行評價。G＞0，G越大，損傷程度越高。

式中：G為損傷程度大小的度量值；

i、j為x，y，z方向；

ΔHij為i方向排列的傳感器之間磁矢量j分量的差值；

Δli為i方向排列的傳感器之間的距離。

結(jié)合管道系統(tǒng)信息、現(xiàn)場安全檢測記錄等，利用技術(shù)檢測結(jié)果分析軟件對檢出數(shù)據(jù)可以進行研究分析，確定被檢管道各部位的損傷等級評價指標(biāo)和異常等級，損傷等級指標(biāo)F可由式（10）計算。

式中：A為修正系數(shù)；

G為損傷程度的度量值。

非接觸式磁性檢測方法確定由在應(yīng)力水平的變化的直接定量評價損傷的管道相對風(fēng)險，根據(jù)GB/T 35090-2018《無損檢測 管道弱磁檢測方法》，確定的管道應(yīng)力集中部位損傷等級指標(biāo)F分級標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 缺陷損傷等級指標(biāo)F分級標(biāo)準(zhǔn)

Ⅰ級：高風(fēng)險。這條管道屬于緊急情況，優(yōu)先維修；

Ⅱ級：中風(fēng)險。存在一定的風(fēng)險但不會很快發(fā)生事故，這種管道的特點就是在于可靠性降低，需要企業(yè)列入計劃進行修復(fù)；

Ⅲ級：低風(fēng)險?？赡艽嬖跓o關(guān)緊要的缺陷或者應(yīng)力集中區(qū)，這種管道可以在監(jiān)控缺陷發(fā)展的情況下，無需修復(fù)繼續(xù)運行。

3 非接觸檢測方法現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 管道基本信息

淄萊線天然氣管道起始于山東省淄博市，止于山東省萊蕪市，全長約70km。管道類型為螺旋縫埋弧焊鋼管。管線具體參數(shù)如表2所示。本次檢測對該管線某段進行非接觸式磁應(yīng)力檢測，檢測管線長度約為8.1km。沿線地形起伏大，管道敷設(shè)環(huán)境大部分位于山區(qū)，沿線有地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險區(qū)和高后果區(qū)，部分管段穿越道路和河流。

表2 淄萊線管道參數(shù)

3.2 非接觸式磁應(yīng)力檢測結(jié)果

基于檢測管段的基本參數(shù)以及現(xiàn)場勘察記錄，應(yīng)用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)生成管道磁強度曲線。通過“信號法向分量改變符號且過零點，而切向分量出現(xiàn)最大值”確定管道應(yīng)力集中位置。在檢測過程中標(biāo)明磁信號的干擾物的具體里程，在磁場強度曲線中標(biāo)注。相應(yīng)的非接觸磁檢測分析結(jié)果為：在已檢測的8.1km管道中，共發(fā)現(xiàn)8個磁異常管段，如圖8（a）～圖8（f）所示。

圖8 （a）第一段管道檢測數(shù)據(jù)

圖8 （b）第二段管道檢測數(shù)據(jù)

圖8 （c）第三段管道檢測數(shù)據(jù)

圖8 （d）第四段管道檢測數(shù)據(jù)

圖8 （e）第五段管道檢測數(shù)據(jù)

圖8 （f）第六段管道檢測數(shù)據(jù)

在數(shù)據(jù)處理生成系統(tǒng)中，查找磁異常管段里程和磁場梯度大小，根據(jù)磁異常等級劃分準(zhǔn)則，計算磁異常綜合指數(shù)，確定磁異常等級。結(jié)合現(xiàn)場檢測記錄，加以備注。異常管段磁異常等級如表3所示。

3.3 磁異常管段分析

3.3.1 “Ⅱ”級磁異常管段

（1）磁異常管道信息

本次檢測中，共發(fā)現(xiàn)2處“Ⅱ級磁異常管段，第1處位于大峪口河道內(nèi)上彎彎頭處，第2處位于白楊河-測40樁公路旁河道彎頭處，兩處管段的現(xiàn)場檢測圖片以及相對位置如圖9～圖12所示；

圖9 測40樁公路旁河道彎頭處

表3 山東檢測管道磁異常管段位置

圖10 滑坡災(zāi)害指示牌后白楊河道內(nèi)彎頭

圖11 3#“Ⅱ”級磁異常管段

圖12 7#“Ⅱ”級磁異常管段

（2）磁應(yīng)力檢測結(jié)果

根據(jù)檢測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，兩處磁異常管段磁場梯度都超過了10000nT/m，顯著應(yīng)力集中，已計算出，兩處管段的F值分別為0.28和0.26，應(yīng)力集中程度分別為管道材質(zhì)屈服強度的58%和60%，根據(jù)磁應(yīng)力檢測信號特征可以初步判斷，應(yīng)力相對嚴(yán)重處主要集中在兩處彎頭的環(huán)焊縫位置。局部磁異常管段磁場梯度變化如圖13、圖14所示。

圖13 3#“Ⅱ”級磁異常管段磁場梯度

圖14 7#“Ⅱ”級磁異常管段局部磁場梯度

3.3.2 “Ⅲ”級磁異常管段

本次檢測中，共有6個管段顯示為“Ⅲ”級磁異常，表3中管段標(biāo)示為磁異常1、2、4、5、6和8，F(xiàn)值為0.62～0.82（如圖15～圖20所示），應(yīng)力集中程度在14%～30%之間。

圖15 1#磁異常管段

圖16 2#磁異常管段

圖17 4#磁異常管段

圖18 5#磁異常管段

圖19 6#磁異常管段

圖20 8#磁異常管段

根據(jù)應(yīng)力集中管段磁應(yīng)力檢測信號特征分析發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力集中區(qū)域多為彎頭的環(huán)焊縫位置，成為威脅管道的潛在危險因素。建議在具備條件時，在“Ⅱ”級應(yīng)力集中管段位置安裝應(yīng)力應(yīng)變在線監(jiān)測系統(tǒng)，持續(xù)監(jiān)測管道的應(yīng)力變化情況，保障管道的安全運行。

對F值接近0.6的“Ⅲ”應(yīng)力集中管段，在無滑坡載荷和環(huán)境荷載增加的情況下，按照相關(guān)完整性管理規(guī)范要求監(jiān)控使用。但同時需要對管道的位移變形、環(huán)境載荷、磁異常指數(shù)F等進行持續(xù)監(jiān)測，并做好處理預(yù)案。

4 結(jié)語

本文提出一種結(jié)合空間分布模型和磁化模型檢測研究NPMT的新方法。根據(jù)現(xiàn)場檢查，該模型可用于應(yīng)力集中管段位置分析。 得到以下結(jié)論：

（1）通過對弱磁檢測原理分析和磁荷理論分析，利用磁異常等級劃分等級準(zhǔn)則，得到管道局部應(yīng)力集中判斷的依據(jù)，獲得磁異常等級系數(shù)?？筛庇^顯示檢測結(jié)果。在非開挖的情況下得到管道應(yīng)力集中位置，為后續(xù)管道本體修復(fù)開挖定點提供技術(shù)支持；

（2）本次檢測山東天然氣管線非接觸式磁應(yīng)力檢測采集三分量高精度磁異常數(shù)據(jù)超過100000組，共發(fā)現(xiàn)Ⅱ級應(yīng)力集中管段2個，Ⅲ級應(yīng)力集中管段6個。應(yīng)力集中嚴(yán)重段主要分布于大峪口和白楊河范圍內(nèi)。根據(jù)應(yīng)力集中管段磁應(yīng)力檢測信號特征分析發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力集中區(qū)域多為彎頭的環(huán)焊縫位置，成為威脅管道的潛在危險因素。